Глава 10

ОРГАНИЗАЦИЯ МИКРОПРОЦЕССОРОВ И ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ

1. Общие сведения о микропроцессорах

Развитие интегральной технологии и схемотехники цифровых электронных схем привело к появлению интегральных микросхем с большой и сверхбольшой степенями интеграции (БИС

306

и СБИС), содержащих на одном кристалле (в одном корпусе) несколько десятков тысяч, а в последних разработках сотни тысяч элементарных транзисторов. На основе таких схем в по­следние годы удалось создать микропроцессоры — функцио­нально законченные, управляемые хранимой в памяти програм­мой (большей частью малоразрядные) устройства обработки цифровой информации, выполненные в виде одной или несколь­ких БИС или СБИС.

Микропроцессоры (МП) отличаются крайне малыми габа­ритными размерами, малой потребляемой мощностью, довольно большим быстродействием, высокой надежностью и дешевизной. Очень важной особенностью микропроцессоров является их уни­версальность, т. е. возможность самого разнообразного приме­нения благодаря их программируемости на выполнение кон­кретных функций.

Малые габаритные размеры, универсальность, способность реализовать сложные функции обработки данных и управления служат основой для построения различных микроЭВМ, персо­нальных компьютеров, микропроцессорных устройств и систем управления, встраиваемых в различные аппараты, машины, орудия, приборы и системы.

Микропроцессорные средства производятся в виде микро­процессорных комплектов интегральных микросхем, имеющих единое конструктивно-технологическое исполнение и предназна­ченных для совместного применения. Микропроцессорный ком­плект помимо самого микропроцессора содержит микросхемы, поддерживающие функционирование микропроцессора и расши­ряющие его логические возможности. *

Развитие микропроцессоров ознаменовалось соревнованием биполярной и МОП-технологий микроэлектроники.

МОП-структуры электронных схем позволяют размещать на одном кристалле большое число элементарных схем благодаря их небольшим размерам и небольшой мощности рассеяния. Од­нако первые МОП-микропроцессоры имели сравнительно низкое быстродействие (сложение двух слов в регистрах занимало около 20 мкс).

Биполярные БИС, например TTJl-схемы, обладали намного большим быстродействием, но значительно меньшей плотнос­тью компонентов на кристалле. Поэтому довольно трудно бы­ло построить биполярный микропроцессор на одном кри­сталле.

Для преодоления ограничений, связанных со сравнительно небольшой плотностью компонентов у биполярных схем, был предложен секционный метод конструирования микропроцессо­ров.

По этому методу микропроцессор составляется из несколь­ких одинаковых 2-, 4- или 8-разрядных процессорных секций, размещенных на отдельных кристаллах и объединенных общим микропрограммным управлением. Использование секционного метода в сочетании с прогрессивной технологией маломощных TTJl-схем с диодами Шотки (ТТЛШ) позволило создать микро­процессорные комплекты серий К589, КР1802, КР1804, содержа­щие соответственно 2-, 4-, 8-разрядные процессорные кристаллы (секции) с быстродействием (временем цикла) 100— 150 не. В состаё этих комплексов помимо БИС процессорной секции входят пять—семь дополнительных БИС (блоки микро­программного управления, синхронизации, связи с периферий­ными устройствами, прерываний). К рассматриваемому типу микропроцессорных средств относится реализованная на ЭСЛ-технологии серия быстродействующих микропроцессорных БИС К1800, содержащая 4-разрядные секции АЛУ, микропрог­раммного управления, синхронизатора, управления оперативной памятью.

На основе секционных микропроцессорных БИС можно стро­ить микропроцессоры с изменяемой разрядностью слова и микропрограммным управлением. Эти микропроцессоры не имеют фиксированного набора команд, а имеют только набор микрокоманд, что позволяет (хотя это связано с определенными трудностями для широкого пользователя) реализовать микро­программным путем оптимальный для данной задачи набор команд и отдельных процедур.

Секционные ТТЛШ и ЭСЛ-микропроцессорные серии БИС используются при построении устройств вычислительной техники и автоматики, которым предъявляются повышенные требования в отношении быстродействия.

Параллельно с этим направлением быстро совершенствова­лась МОП-технология и были достигнуты крупные успехи в по­вышении степени интеграции и быстродействия. На этой основе по мере совершенствования МОП-технологии были созданы 8-, а затем 16-разрядные с жесткой логикой и фиксированной систе­мой команд, а р последнее время — 32-разрядные однокристаль­ные микропроцессоры.

В настоящее время в микропроцессорной технике основное место занимают однокристальные микропроцессоры, выполнен­ные на различных вариантах МОП-технологии. Они служат основой современных микроЭВМ и персональных компьютеров, широко используются в различных микропроцессорных устройст­вах и системах автоматизации управления и обработки дан­ных.

2. Организация однокристальных 8-разрядных микропроцессоров

Восьмиразрядный микропроцессор с фиксированной систе­мой команд К580ВМ80А, в дальнейшем для краткости обознача­емый МП К580, выполнен в виде изготовленной по л-МОП-тех- нологии БИС, содержащей около 5 тыс. транзисторов на кристалле кремния размером около 30 мм², заключенном в кор­пусе с 40 выводами. Работает с тактовой частотой 2 МГц (дли­тельность такта 500 не), требует трех уровней напряжения пи­тания: + 5, —5, +12 В. Микропроцессор К580 аналогичен МП 8080 фирмы Intel (США).

Длина машинного слова в МП К580 8, а адреса 16 разрядов. Микропроцессор может работать с оперативной и постоянной памятью, суммарная емкость которых не превышает 64 Кбайт. Ширина выборки из памяти 1 байт. Возможна адресация любого байта памяти. Скорость выполнения коротких операций (типа регистр — регистр) 500 тыс. операций/с.

Создание высокопроизводительного микропроцессора с эф­фективными системой команд и процедурами обмена информа­цией с внешним по отношению к микропроцессору оборудовани­ем затруднялось из-за ограничений, которые вызывались ко­ротким словом МП и малым число внешних выводов его корпуса. Последнее, в частности, обусловило узкую (малоразрядную) шину данных в МП и узкий интерфейс обмена данными с внеш­ним оборудованием.

Для преодоления этих ограничений потребовались разра­ботки ряда новых архитектурных решений. С частью из них читатель познакомился в гл. 9. Здесь остановимся главным образом на структурных аспектах и особенностях системы ко­манд МП. Организация ввода-вывода в МП рассмотрена в гл. 11.

Читатель имел возможность ознакомиться с программист­ской моделью МП К580, приведенной в гл. 9_Ь Более детальное представление об устройстве МП К580 дает его структура, приведенная на рис. 10.1.

Характерными особенностями организации МП К580 яв­ляются:

трехшинная структура с шинами данных, адреса и управ­ления;

магистральная структура связей — наличие внутренней ши­ны данных, которая связывает все узлы внутри МП. Ширила шины данных (8 разрядов) равна разрядности слов, с которыми Ьперирует МП;

регистровая память в виде блока программно-доступных

		9,
	Синхрони­	с9>г
!	зация	СИНХ ГОТ
	ЯППЛтт
I	/ ишии иость/ ожидание	0ЖДУ
		ЗПДП
§
< §	Управле­ние ПДП	ППДП
		ЗП
|
1	ние пре­рыванием	РП
1	Управле­	ЧТ
а	ние шиной
	Запись	ЗП

BA I' * Сигналы _1 L- . **/»-. ША^к^(7В)^паяний

о

Внутренняя шина ванных (ВТ

Рис. 10.1. Структура однокристального 8-разрядного МП К580:

Узлы: Акк — аккумулятор; Т, w, г — регистры временного хранения; РгПр — регистр признаков; М — мультиплексор; И/Д — инкрементор/декрементор; РгА — регистр адреса; ДК — десятичный корректор; РгК — регистр команд; СчК — счетчик команд; УС — указатель стека; БД — буфер данных; БА — бу­фер адреса; шины: ША — шина адреса; ШД — двунаправленная шина данных; сигналы: ЗП — запись; ЧТ — чтение; ЗП — запрос прерывания; ЗПДП и ППДП — запрос и подтверждение прямого доступа к памяти; ОЖД — ожида­ние; ГОТ — готовность; СИНХ — синхронизация; <pi и <рз — тактовые сигналы; РП — разрешение прерывания

общих и некоторых специализированных регистров (СчК, указа­тель стека, регистр косвенного адреса, регистр признаков);

наличие 16-разрядной шины адреса, позволяющей прямо адресовать внешнюю память емкостью 64 Кбайт;

разнообразие применяемых методов адресации — прямая, регистровая прямая, регистровая косвенная (в том числе под­разумеваемая), непосредственная, индексная, стековая,— в со­вокупности позволяющих при коротком 8-разрядном слове реа­лизовывать достаточно гибкую систему команд, использующую три формата команд: 1, 2, 3 байта;

наличие эффективных средств работы с подпрограммами и быстродействующей системой прерывания, использующих сте­ковую память («перевернутый стек»), специальные команды вызова подпрограмм и возврата (в том числе условного) из подпрограмм и процедуры перехода к прерывающим и возврата к прерванным программам;

реализация двухбайтных (тандемных) передач и некоторых^ других двухбайтных операций, с тем чтобы при 8-разрядных шине данных, общих регистрах и ширине выборки из ОП уп­ростить процедуры обработки 16-разрядных слов и работу с 16-разрядными адресами и тремя форматами команд. Послед­нее достигается тем, что первый байт команды, содержащий указание об ее формате, загружается всегда в регистр команды, а второй и третий, если они имеются,— в определенные регистры.

Помимо упоминавшихся шин данных и адреса имеется шина управления, содержащая линии, предназначенные для передачи управляющих сигналов, признаков состояния процессора и пе­риферийного оборудования. Шина содержит следующие линии: синхронизирующих сигналов для сопровождения информа­ции при передачах ее в обоих направлениях по мультиплексируе­мой шине данных;

сигналов, информирующих МП о состоянии (готовности) периферийных устройств;

сигналов запроса прерывания от периферийных устройств -и разрешения прерывания и др.

Блок регистров содержит программно-доступные (с ре­гистровой прямой или подразумеваемой адресацией) регистры: 8-разрядные аккумулятор А, общие регистры В, С, D, £, 16-раз- рядные счетчик команд СчК> указатель стека УС, парный ре­гистр косвенного адреса Н — L, а также 8-разрядный регистр признаков, отдельные разряды (флажки) которого, принимая значение 1, указывают: СУ — перенос, Р и М — соответственно знак + и — результата, АС—вспомогательный перенос, Z — нулевой результат. Кроме того, имеется регистр адреса РгА. Регистры используются для хранения операндов, промежуточ­ных результатов и адресов.

Непосредственно в МП из оборудования стековой памяти содержатся только указатель стека и соответствующие цепи управления. Сам стек реализуется в виде зоны ячеек в общей ОП. Хотя такая организация стека по сравнению с внутрен­ним (встроенным в кристалл МП) стеком связана с некоторым замедлением стековых процедур, однако операции со стеком выполняются намного* реже, чем с другими регистрами. При таком выполнении стека его емкость практически неограниченна, оказывается возможным большее число вложелий при работе с подпрограммами и прерываниями, что в общем обеспечивает высокую производительность МП.

Блок регистров содержит специальную схему «инкремен- тор»/«_Декрементор» И/Д, позволяющую без привлечения АЛУ ^в процессе межрегистровых передач выполнять модификацию текущего адреса добавлением (вычитанием) 1.

Арифметическо-логическое устройство, выполненное в виде комбинационной схемы с собственным регистром временного хранения, производит арифметические и логические операции над 8-разрядными операндами. Один вход АЛУ связан с аккуму­лятором, а другой может быть соединен с любым общим ре­гистром. ИмеетЬя включаемый специальной командой десятич­ный корректор, превращающий результат непосредственно пред­шествующей операции двоичного сложения (вычитания) над двоично-десятичными операндами в результате соответствую­щей операции десятичной арифметики (см. гл. 7).